Jordbaserade experiment på järn-svavellegeringar som tros utgöra kärnan av Mars avslöjar detaljer om planetens seismiska egenskaper för första gången. Denna information kommer att jämföras med observationer som gjorts av rymdsonder från mars inom en snar framtid. Huruvida resultaten mellan experiment och observation sammanfaller eller inte kommer antingen att bekräfta existerande teorier om Mars sammansättning eller ifrågasätta historien om dess ursprung.

Mars är en av våra närmaste jordiska grannar, men det är fortfarande väldigt långt borta – mellan cirka 55 miljoner och 400 miljoner kilometer, beroende på var jorden och Mars befinner sig i förhållande till solen. I skrivande stund, Mars är cirka 200 miljoner kilometer bort, och i alla fall, det är extremt svårt, dyrt och farligt att ta sig till. Av dessa anledningar, Det är ibland mer förnuftigt att undersöka den röda planeten genom simuleringar här på jorden än att skicka en dyr rymdsond eller, i framtiden, människor.

Keisuke Nishida, en biträdande professor från University of Tokyos avdelning för jord- och planetvetenskap vid tidpunkten för studien, och hans team studerar Mars inre funktion och sammansättning via seismiska data som avslöjar inte bara planetens nuvarande tillstånd, men föreslår också dess förflutna, inklusive dess ursprung.

"Utforskningen av jordens djupa inre, Mars och andra planeter är en av vetenskapens stora gränser, " sa Nishida. "Det är fascinerande delvis på grund av de skrämmande skalorna som är involverade, men också på grund av hur vi undersöker dem säkert från jordens yta."

Under lång tid har det varit teorier om att kärnan på Mars troligen består av en järn-svavellegering. Men med tanke på hur otillgänglig jordens kärna är för oss, direkta observationer av Mars kärna kommer sannolikt att behöva vänta ett tag. Det är därför seismiska detaljer är så viktiga, som seismiska vågor, liknar enormt kraftfulla ljudvågor, kan resa genom en planet och ge en glimt inuti, om än med vissa förbehåll.

"NASA:s Insight-sond är redan på Mars och samlar in seismiska avläsningar, sade Nishida. "Men, även med seismiska data, det saknades en viktig information utan vilken informationen inte kunde tolkas. Vi behövde veta de seismiska egenskaperna hos den järn-svavellegering som tros utgöra Mars kärna."

Nishida och team har nu mätt hastigheten för vad som kallas P-vågor (en av två typer av seismiska vågor, den andra är S-vågor) i smälta järn-svavellegeringar.

"På grund av tekniska hinder, det tog mer än tre år innan vi kunde samla in de ultraljudsdata vi behövde, så jag är väldigt glad att vi har det nu, ", sa Nishida. "Urvalet är extremt litet, vilket kan förvåna en del människor med tanke på den enorma skala på planeten vi simulerar effektivt. Men mikroskala högtrycksexperiment hjälper till att utforska strukturer i makroskala och långa tidsskaliga evolutionära historia av planeter."

En smält järn-svavellegering strax över dess smältpunkt på 1, 500 grader Celsius och utsatt för 13 gigapascal tryck har en P-vågshastighet på 4, 680 meter per sekund; detta är över 13 gånger snabbare än ljudets hastighet i luft, vilket är 343 meter per sekund. Forskarna använde en enhet som kallas en Kawai-typ multianvil press för att komprimera provet till sådana tryck. De använde röntgenstrålar från två synkrotronanläggningar, KEK-PF och SPring-8, för att avbilda proverna för att sedan beräkna P-vågsvärdena.

"Om vi ​​tar våra resultat, forskare som läser seismiska data från mars kommer nu att kunna avgöra om kärnan huvudsakligen är järn-svavellegering eller inte, " sa Nishida. "Om det inte är det, som kommer att berätta något om Mars ursprung. Till exempel, om Mars kärna innehåller kisel och syre, det tyder på att som jorden, Mars drabbades av en enorm nedslagshändelse när den bildades. Så vad är Mars gjord av, och hur bildades den? Jag tror att vi är på väg att ta reda på det."

Studien publiceras i Naturkommunikation .